Условия протекания процесса газокислородной резки

      2 Условия протекания процесса газокислородной резки.

      Кислородная резка представляет собой процесс интенсивного местного окисления металла, нагретого до температуры воспламенения, струей кислорода и удаления этой струей образующихся продуктов сгорания (окислов металла).  
     Процесс резки начинается с нагрева изделия в начальной точке реза до температуры, достаточной для воспламенения (начала интенсивного окисления) данного металла в кислороде. Нагрев производится подогревающим пламенем, образуемым при сгорании горючего газа в кислороде. Когда температура зоны нагрева достигает требуемой величины, пускается струя технически чистого (98 – 99%-ного) кислорода. Направленный на нагретый участок режущий кислород вызывает интенсивное окисление верхних слоев металла, которые, сгорая, выделяют значительное количество теплоты и нагревают до воспламенения в кислороде нижележащие слои. Таким образом, процесс горения металла в кислороде распространяется по всей толщине разрезаемой заготовки.       Образующиеся при сгорании окислы, будучи в расплавленном состоянии, увлекаются струей режущего кислорода и выдуваются из зоны реакции.  
      Для успешного протекания процесса резки должно соблюдаться несколько условий:

  -     Температура плавления металла должна быть выше температуры его воспламенения в кислороде, под которой понимается температура, при которой начинает происходить интенсивное окисление металла;

-     Температура плавления окислов должна быть ниже температуры плавления самого металла и температуры, которая развивается в процессе резки;

-      Количества теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислородной струе, должно быть достаточно для поддержания непрерывного процесса резки;

-     Теплопроводность должна быть не выше того предела, при котором вся теплота, сообщаемая подогревающим пламенем и выделяемая в процессе резки, отводится от места резки;

-    Образующиеся окислы должны быть достаточно жидкотекучими для их свободного выдувания кислородной струей.  
     При увеличении содержания углерода температура плавления стали уменьшается. Содержание углерода выше 0,7% приводит к тому, что плавление начинается при температурах более низких, чем температура воспламенения, а процесс резки превращается в процесс расплавления стали и удалении этого расплава из зоны реакции кислородной струей.  
    Наличие легирующих элементов в сплавах оказывает влияние на температуру плавления как самого металла, так и его окислов. Если легирующие элементы снижают температуру плавления стали, то тугоплавкость окислов легирующих элементов в ряде случаев оказываются значительно выше температуры плавления стали. Например, наличие в металле хрома приводит к образованию на поверхности реза окисла Cr2O3 c температурой плавления 1990ºС, сплавы алюминия образуют окисел алюминия Al2O3 c температурой плавления около 2050 º С. Металлы с повышенным содержанием этих элементов обычному процессу газовой резки не поддаются. В таблице 1 приведены температуры плавления наиболее широко применяемых, металлов и окислов некоторых основных элементов этих металлов.

 

 

 

 

Таблица 1

Наименование  металла	Температура плавления, ºС
Железо Сталь низкоуглеродистая Сталь углеродистая Серый чугун Медь  Латунь Алюминий Цинк	1539 1500 1300 – 1400 1200 1083 850 – 900 657 419
Наименование  окисла	Температура плавления, ºС
Закись железа FeO Закись-окись железа Fe3O4 Окись железа Fe2O3 Окись меди Cu2O    Окись алюминия Al2O3 Окись цинка ZnO	1371    1527 1565 1236    2020 1800

    В процессе горения железа выделяемое тепло идет на нагрев слоя, непосредственно прилегающего к зоне реакции, чем обеспечивается непрерывность процесса резки. По некоторым данным (Глизманенко Д.Л., Евсеев Г.Б. Газовая сварка и резка металлов. М.: Машгиз, 1954, 548 с.) при резке низкоуглеродистой стали 70% общего количества теплоты, вводимой в металл, составляет теплота, выделяющаяся при сгорании железа и его примесей.    Остальное тепло вводится подогревающим пламенем резака. При этом важно, чтобы скорость теплоотвода не превышала скорости тепловложения, т.е. теплопроводность металла должна быть ограниченной. Для резки металла с высокой теплопроводностью, например меди, интенсивность тепловложения должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить нагрев зоны реза до температуры воспламенения. Поскольку обычными методами обеспечить это условие при резке меди удается далеко не всегда, зачастую прибегают к предварительному или сопутствующему подогреву.  
    Важным параметром, влияющим на процесс резки, является жидкотекучесть расплавленных окислов. При большой вязкости выдуваемость шлака кислородной струей из зоны реза затруднена, что значительно тормозит процесс резки.    Например, окисел кремния SiO2, обладая значительной тугоплавкостью, имеет, кроме того, большой температурный интервал изменения вязкости. Поэтому у чугуна, содержание кремния в котором довольно высокое, удаление шлака в процессе резки вызывает значительные трудности.

   

    2.1 Разрезаемость сталей и сплавов

    Из анализа условий резки следует, что из всех наиболее используемых в промышленности металлов в полной мере этим условиям удовлетворяет только низкоуглеродистая сталь. С повышением содержания в стали как углерода, так и легирующих элементов, процесс резки осложняется. Чугун нормальному процессу газовой резки обычным способом вообще не поддается. Причиной этого является, во-первых, то, что температура плавления чугуна ниже температуры воспламенения железа (см. таблицу 1), и, во-вторых, высокая температура плавления окисла кремния SiO2 и его недостаточная жидкотекучесть. Кроме того процессу резки препятствует образование значительного количества окислов СО и СО2, загрязняющих режущий кислород и снижающих эффективность процесса окисления.  
    Высокохромистые и хромоникелевые стали также не поддаются нормальному процессу газовой резки. В этом случае резке препятствует высокая температура плавления окисла хрома, который образуется на поверхности реза и делает процесс окисления нижележащих слоев металла невозможным.  
    Цветные металлы, в частности медь, алюминий и их сплавы, газовой резке обычным способом не поддаются ввиду высокой температуры плавления их окислов и значительной теплопроводности, препятствующей концентрации теплоты в зоне реакции при резке. При резке меди, кроме того, сказывается весьма низкий тепловой эффект окисления, т.е. выделяемого в результате реакции тепла не достаточно для нагрева зоны реза до температуры воспламенения. Поэтому, наряду с другими мерами, часто используется предварительный подогрев меди до температуры 750ºС…850ºС, а латуни и бронзы – 380ºС…480º С (Справочник по газовой резке, сварке и пайке / А.Г.Шустик, В.П.Савченко, А.М.Табунщик, Н.Н.Побрус; Под общ. ред. канд. тех. наук В.П.Савченко. – К.: Технiка, 1989. – 104 с.), что увеличивает общее тепловложение в разрезаемый металл и позволяет эффективнее концентрировать тепло в зоне реза.  
    Для сравнения в таблице 2 приведен тепловой эффект образования окислов некоторых основных металлов, входящих в состав сталей и сплавов. 

 

Таблица 2

Химическая  формула окисла	Тепловой эффект образования, ккал/г-моль	Химическая  формула окисла	Тепловой эффект образования, ккал/г-моль	Химическая  формула окисла	Тепловой эффект образования, ккал/г-моль
FeO Fe3O4 Fe2O3 Cr2O3	64,3 266,9 198,5 273	CuO Cu2O Al2O3 ZnO	37,5 40,6 393,2 83,36	NiO MnO Mn2O3 Mn3O4	58,4 93,1 232,7 336,5

    Из вышесказанного напрашивается вывод, что для повышения разрезаемости черных металлов и сплавов следует снизить в них концентрацию, как углерода, так и легирующих элементов до уровня, близкого к их концентрации в низкоуглеродистой стали. В процессе газовой резки снижение концентрации может быть достигнуто путем непрерывного введения в зону реакции порошкообразного флюса, например, железного порошка.

 

    2.2 Процесс кислородно-флюсовой резки

    Процесс кислородно-флюсовой резки мало отличается от обычного процесса газокислородной резки, поэтому резчику обычно достаточно несколько дней, чтобы освоить технику резки и обслуживание установки КФР.  
    Сущность процесса заключается в следующем. В зону реза струей кислорода (режущего или дополнительной), сжатого воздуха либо другого газа, например азота, вдувается порошкообразный флюс на основе железного порошка, который выделяет при сгорании дополнительное количество теплоты, снижает концентрацию легирующих элементов в металле и разжижает шлак. Кроме того, образующиеся при его сгорании окислы железа производят флюсование образующегося при резке шлака.  
    Кислородно-флюсовая резка с позиции техники ее выполнения отличается от обычного процесса газовой резки тем, что расстояние от поверхности разрезаемого металла до торца мундштука в первом случае должно быть больше, чем во втором, так как воспламенение флюса начинается над поверхностью разрезаемого металла, а полное сгорание происходит в полости реза. На практике это расстояние выбирается в зависимости от разрезаемого материала и колеблется в пределах от 15 до 50 мм.  
    Флюс представляет собой мелкогранулированный железный порошок с добавками некоторых других компонентов, например феррофосфора при резке чугуна или алюминия при резке меди. Однако в большинстве случаев в качестве флюса может служить чистый железный порошок, без каких либо добавок.  
       Исследование процесса кислородно-флюсовой резки и разработка оборудования для резки проводились различными институтами и организациями. Наибольшими успехами в этой области добились на кафедре сварочного производства МВТУ им. Баумана и во ВНИИАВТОГЕНМАШ. Однако существенным недостатком всех этих разработок является, на наш взгляд, то, что флюс подается в зону реакции либо струей кислорода, либо струей сжатого воздуха или азота. Смесь кислорода с железным порошком взрывоопасна, поэтому подача флюса струей кислорода может иметь весьма негативные последствия. Использование в качестве флюсонесущего газа сжатого воздуха или азота приводит, с одной стороны, к усложнению оборудования, так как требуется дополнительная система для подвода сжатого воздуха или газа, а с другой стороны, значительно снижает чистоту режущего кислорода, чем существенно тормозится процесс резки.  
    Принципиальное отличие комплекта оборудования для кислородно-флюсовой резки, разработанного и выпускаемого заводом автогенного оборудования «ДОНМЕТ» (г, Краматорск, Донецкой области) заключается в том, что флюсонесущим является горючий газ (пропан-бутан или метан), что обеспечивает повышенную безопасность работы и позволяет подводить в зону реза кислород исходной чистоты (Сергиенко В.А. «Способ кислородно-флюсовой резки». Патент Украины № 2002010375, дата публикации 15.01.2002г.). Кроме того, при таком способе подачи флюса разогрев последнего производится подогревающим пламенем резака еще до его попадания в зону реакции, чем достигается более высокая скорость резки и более полное использовании а, следовательно, экономия флюса.  
    Комплект (см. рис. 1 фото 1) предназначен для ручной разделительной резки высоколегированных сталей, чугуна, цветных металлов и сплавов, как в условиях цеха, так и в условиях открытых площадок. При этом пределы толщин резки следующие:

-     Высоколегированные стали………………….до 200 мм

-     Чугун разных марок…………………………...до 200 мм

-     Цветные металлы и сплавы…………………..до 100 мм

 
    Центральным узлом комплекта является флюсопитатель 1 емкостью 10 л. (до 22 кг флюса) с регулируемым смесителем вихревого типа. Флюсопитатель резинотканевым рукавом 2 через баллонный газовый редуктор 3 подключается к газовому баллону 4 или распределительной газовой магистрали. К флюсопитателю с помощью резинотканевого рукава 6 подсоединяется специальный резак 5 – КФР-352. Для удобства транспортировки флюсопитатель установлен на тележке 7 грузоподъемностью 40 кг, на ней же смонтирован дополнительный предохранитель 8. В транспортном положении на тележке фиксируется также резак вместе с резинотканевым рукавом.  
    Флюсопитатель (Рис. 2) состоит из бачка 1 и смесителя 2 с регулировочным винтом 3. На верхней крышке бачка смонтирован тройник 4 для подсоединения резинотканевого рукава 5, идущего на смеситель, манометра 6 и обратного клапана 7, к которому подсоединяется рукав от газового баллона. Величина давления в бачке устанавливается редуктором на газовом баллоне в пределах 0,06 – 0,1 МПа и контролируется манометром 6 на флюсопитателе. Для защиты флюсопитателя от превышения в нем давления выше допустимого, на нем смонтирован предохранитель 8. Загрузка флюса в бачок производится через горловину 9, в крышку которой завернут вентиль для выпуска газа по окончании работы или перед загрузкой очередной порции флюса.  
    В качестве резака КФР-352 для выполнения кислородно-флюсовой резки используется модернизированный резак с внутрисопловым смешением «ПРОМИНЬ» 344 (Рис. 3), состоящий из ствола 1 с алюминиевым корпусом-рукояткой, головки 2 и подводящих трубок 3. На стволе расположены вентиль кислорода подогревающего (КП) 4 и клапан кислорода режущего 6 с клавишей 7. На входном штуцере с резьбой М16х1,5LH расположен шаровой кран 5 подачи горючего газа с флюсом и обеспечивающий возможность быстрого перекрытия горючего газа в случае обратного удара пламени. Для защиты рук от теплового излучения и брызг расплавленного металла и шлака на подводящих трубках смонтирован щиток 8. С целью правильного задания расстояния от торца мундштука до поверхности разрезаемого металла в процессе резки резак снабжен опорой 9.  
    Флюсонесущий газ поступает из баллона через редуктор в тройник, где он разветвляется на два потока: первый – в верхнюю часть флюсопитателя для создания в нем давления, второй – в смесительную камеру для создания вихревого потока. Флюс струей газа и действием силы тяжести увлекается в смеситель, а поступающая в смеситель дополнительная струя газа создает вихревой поток, захватывающий частицы флюса и уносящий их к резаку. Регулировка количества флюса, поступающего из флюсопитателя к резаку, производится вращением винта смесителя: отвинчивание приводит к увеличению расхода флюса.  
    Для питания резака кислородом производится его подключение резинотканевым рукавом непосредственно к кислородному редуктору, установленному на кислородном баллоне или распределительном кислородопроводе. Давление кислорода устанавливается не менее 0,7 МПа.  

    2.3 Флюсы для резки

    При выборе флюса для кислородно-флюсовой резки необходимо учитывать следующие его свойства:

-    Химический состав;

-     Размер зерен;

-     Сродство с кислородом при температуре резки;

-     Теплота сгорания;

-     Флюсующее действие.

    Как уже сказано выше, основой всех флюсов для КФР является железный порошок. Это объясняется несколькими причинами: во-первых, относительной дешевизной и доступностью железного порошка, во-вторых, выделением достаточно большого количества тепла при сгорании железа (см. таблицу 2) и, в третьих, относительно низкой температурой плавления закиси железа (см. таблицу 1), которая является основной составляющей окислов, образующихся при горении железа. Кроме того, окислы железа в расплавленном виде являются достаточно жидкотекучими, следовательно, оказывают хорошее флюсующее действие и легко удаляются из зоны реза кислородной струей. Железный порошок является флюсом термомеханического действия и в большинстве случаев кислородно-флюсовой резки применяется в чистом виде.  
    К флюсам механического действия относят кварцевый песок, который плавится в зоне реакции без выделения дополнительного количества теплоты, но связывает тугоплавкие окислы в более легкоплавкие соединения, т.е. оказывает чисто флюсующее действие в процессе резки. Помимо этого, частицы песка, проходя через образуемый разрез с большой скоростью, способствуют механическому удалению расплавленных шлаков. Смешивание кварцевого песка с железным порошком приводит к образованию силикатных шлаков системы FeO – SiO2, которые имеют большую жидкотекучесть, но только при условии содержания в них 30% SiO2.  
    В некоторых случаях для повышения тепловой эффективности к железному порошку добавляют 5 – 10% алюминия или, для улучшения условий флюсования (разжижения образующихся шлаков) - до 25% железной окалины.  
В таблице 3 на основе анализа литературных данных приведены ориентировочные составы флюсов, используемые при резке различных материалов.

Таблица 3 Состав флюса для кислородно-флюсовой резки, % по массе

Назначение  флюса	Железный порошок	Алюминиевый порошок	Кварцевый песок	Железная окалина	Доменный феррофосфор
Резка чугуна	100 65…75 75 65…75	- 5…10 - -	- 20…25 25 -	- - - -	- - - 25…35
Резка высоколегиров. сталей	100 90…95 75	- 5…10 -	- - -	- - 25	- - -
Резка меди	70…80	20…30	-	-	-
Резка латуней и бронз	70…80 70…75	5…10 15…20	15…20 -	- -	- 10…15